纸浆模塑制品缓冲性能测试与分析

1、纸浆模塑制品缓冲性能测试与分析1王宏涛，骆光林西安理工大学印刷包装工程学院，陕西西安（710048）E-mail：摘 要：纸浆模塑制品是一种环保型的包装材料，本文采用静态压缩试验获得了纸浆模塑制品的横截面积对其缓冲性能的影响特性，开创性地提出了实验数据处理中的等效面积理论，并利用等效面积为基础来表征纸浆模塑制品的缓冲性能，这些研究为纸浆模塑制品的缓冲包装设计提供了理论依据。关键词：纸浆模塑制品；缓冲特性；静态压缩试验；等效面积中图分类号: TB485.1 文献标识码: A纸浆模塑制品是用一定浓度的纸浆，加入适量的化学助剂在带有滤网的模具成型机中通过真空或加压的方法使纤维均匀地分布于模具表面，从

2、而具有拟定形状的湿纸模坯，再经过脱水、脱模、干燥和整饰而形成的缓冲包装制品1。随着社会进步，商品流通飞速发展，包装件在物流中的安全问题愈来愈受到人们的关注，缓冲包装材料已成为包装业中的重点发展领域，而且绿色包装要求也给我国的商品出口带来了挑战和机遇2、3，这些都要求缓冲包装材料不仅要有良好的缓冲防护能力，还必须具备环保方面的特性，纸浆模塑制品能够解决这一问题。纸浆模塑制品作为一种绿色缓冲包装材料，人们希望其成为EPS的替代品，但由于其缓冲作用原理与传统的缓冲材料不同，目前缺乏有关缓冲性能等方面的实验数据和理论，其制品的应用目前仅限于重量轻的产品上4、5。由于纸浆模塑制品与传统缓冲包装材料相比有

3、一些特殊性，在性能研究及包装设计过程中必然存在许多问题和困难，本文所做研究工作能够对其他的研究者提供有用的参考，所给出的测试结果可以为包装工程师进行缓冲包装设计提供理论依据。1. 试样制备国家标准GB8168“包装用缓冲材料静态压缩试验方法”中规定了缓冲材料的静态特性测试方法，但该标准制定时纸浆模塑制品才刚刚出现，该标准未能考虑到纸浆模塑制品的特殊性质，所制定的方法并不适合于纸浆模塑制品的性能测试。譬如，该标准中规定的试样制备要求取样尺寸为100×100mm2，这一点对于纸浆模塑制品来说是极不适宜的。因为纸浆模塑制品的缓冲性能是依靠结构来实现的，而根据不同需要，其结构形态及尺寸变化很

4、大，若是强行按照国标规定的尺寸来取样，通常将破坏纸浆模塑制品的缓冲结构，所测出的数据并不能表现其真正缓冲性能，因此，制作试样时应根据具体情况合理选择试样的尺寸。譬如，图1所示为用于啤酒瓶缓冲包装的纸浆模塑制品，图2所示为用于某种仪表缓冲衬垫的纸浆模塑制品，从图中可以看到，这两种制品的各缓冲单元之间存在紧密的联系，在制作试样时，无论如何分割都必然会引起其结构的破坏，使得测试结果不能准确反映真实情况，因此取制品进行整体性能测试是较好得选择。1本课题得到西安理工大学科学研究计划项目（104-210607）的资助。-1-图1 啤酒瓶顶部缓冲衬垫（正反面，试样1） 图2 某仪表缓冲衬垫（正反面，试样2）

5、Fig.1 Top pad of beer bottles Fig.2 The pad of some apparatus(front and back, sample 1) (front and back, sample 2)2. 实验原理与方法国家标准GB 8168“包装用缓冲材料静态压缩试验方法”中的实验方法为采用万能材料试验机进行实验，其原理如图3所示。图3 静态缓冲性能测试原理示意图Fig.3 Principle sketch of static compression testing system3. 实验及数据处理本文对图1、图2所示的纸浆模塑制品进行了静态压缩实验。试样1为啤酒

6、运输中的上部缓冲衬垫，其整体几何尺寸为320mm×240mm×36mm、材料厚度为1.63mm、密度为0.375g/cm3；试样2用于某种仪表的缓冲衬垫，其整体几何尺寸为264mm×136mm×30mm、材料厚度为2.03mm、密度为0.387g/cm3。设定上压板工作速率为6mm/min,对图1、图2中的两种试样分别取5个进行静态压缩测试，并将实验结果进行平均，分别得到压缩力，应变量对序列，将其中的应变量除以试样的厚度转化为应变得到压缩力，应变对序列，然后通过曲线拟合得到静态压缩力应变（F）曲线，其结果见图4、图5。F（N） F（N） 图4 试样1的F

7、曲线 图5 试样2的F曲线Fig.4 F curve of sample 1 Fig.5 F curve of sample 2-2-图4、图5仅能表征本次实验所用的两种纸浆模塑制品的静态压缩性能，缺乏一般代表性，需要进行一定的处理，将其转换为缓冲包装设计中常用的缓冲系数最大应力（Cm）曲线。Cm曲线的计算方法是，首先将静态压缩力应变（F）曲线转换为应力应变（）曲线，然后再采用缓冲系数的计算公式C=将曲线转换为0dCm曲线6。这里的问题是，应力=F中的面积A应如何取值？国家标准GB8168“包装用缓冲材料A静态压缩试验方法”中给的A值指的是试样的面积，但是纸浆模塑制品中起缓冲作用的是那些凸台结

8、构，而这些凸台结构的尺寸、形状及数量变化不一，显然制品的缓冲性能与其面积不会存在直接的关系，因此按照国标规定将A取为纸浆模塑制品的面积是不合适的。从图4与图5的对比来看，两试样的负载能力有着较大差别，但通过测量和计算，试样1和试样2的结构单元的侧壁周长相差不大，这与周防国等7提出的纸浆模塑制品的缓冲能力与其结构单元的侧壁周长呈线性关系相矛盾。分析认为，导致两种试样负载能力不同的主要原因是它们的结构单元侧壁厚度存在较大差异，并可得出这样的结论：纸浆模塑制品的负载能力与其横截面积存在函数关系。这里的横截面积为纸浆模塑制品单元结构的侧壁周长与厚度的乘积。 因此纸浆模塑制品的横截面积决定着其负载能力，

9、用这个横截面积作为公式=的面积A是合适的，为了区别起见将之称为等效面积。在本实验中，试样一的圆锥形凸台的上半径为35mm，下半径为65mm，取距离顶部1/3高度处计算等效面积A1；试样二为矩形凸台，其等效面积A2直接测量和计算即可。经过测量和计算：F中AA1=L1t1=1696×1.632764mm2；A2=L2t2=1836×2.033727mm2。C C 根据前面所述计算方法，可将图4、图5的F曲线转换为图6、7所示的Cm曲线。m（Kg/cm2） m（Kg/cm2）图6 试样1的Cm曲线 图7 试样2的Cm曲线Fig.6 Cm curve of sample 1 Fig

10、.7 Cm curve of sample 24. 结 论（1）本文通过实验研究，提出了纸浆模塑制品缓冲性能测试中的试样制备方法及利用纸箱抗压试验机代替万能材料试验机进行缓冲材料静态压缩性能测试的有效方法。-3-（2）本文开创性地提出了纸浆模塑制品缓冲性能分析中以纸浆模塑制品横截面积作为计算缓冲衬垫应力=F中的面积A的等效面积理论。 A（3）从图4与图5、图6与图7的对比来看，通过增大纸浆模塑制品的凸台周长及制品的材料厚度，也即增大纸浆模塑制品的等效面积可显著提高制品的承载能力，解决较重电器产品的缓冲包装问题。（4）通过进一步的实验，得到纸浆模塑制品的负载能力与其横截面积之间的函数关系，将可以

11、为纸浆模塑制品的缓冲包装设计提供有效的理论指导。参考文献1池东明(Chi Dong-ming). 纸浆模塑制品及其应用(Molded Pulp Product and Application)J. 陕西科技大学学报(Journal of Shanxi University of Science Technology),2003,21（4）:120-1232周明砚,张峻岭(Zhou Ming-yan, Zhang Jun-ling). 缓冲包装设计理论的发展及趋势(Development and tide of designing theory for cushioning package)J.

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16、mental-friendly package cushioning material. In this paper, the effect of cross section area on the cushioning properties of molded pulp product is obtained by use of static compression tests, and an equivalent area theory is presented, and the cushioning property of molded pulp product is described on the basis